اقرأ في هذا المقال
إن طاقات التأين في فيزياء الكم تسمى أيضًا إمكانات التأين، وهي كمية الطاقة المطلوبة لإزالة إلكترون من ذرة أو جزيء معزول.
طاقة التأين
توجد طاقة تأين لكل إلكترون تم فقدانه؛ ومع ذلك فإن طاقة التأين التي تتعلق في فقدان الإلكترون الأول (الأعلى مرونة) هي التي يتم استخدامها كثيرا، وعادة ما تقاس طاقة التأين لعنصر كيميائي بوحدة الجول أو الإلكترون فولت، بوحدة أنبوب التفريغ الكهربائي الذي يصطدم فيه إلكترون تكون حركته سريعة يُنشئه تيار كهربائي بذرة غازية من العنصر، مما يعمل على طرد أحد إلكتروناته.
عادةً ما يستخدم الكيميائيون الجول، بينما يستخدم الفيزيائيون فولت الإلكترون؛ وبالنسبة لذرة الهيدروجين التي تتكون من إلكترون في المدار مرتبط بنواة بروتون واحد، فإن طاقة التأين تبلغ 2.18 × 10 18 جول (13.6 إلكترون فولت) مطلوبة لإجبارها الإلكترون من أدنى مستوى للطاقة له خارج الذرة تمامًا.
ويعتمد حجم طاقة التأين لعنصر ما على التأثيرات المجمعة للشحنة الكهربائية للنواة وحجم الذرة وحجمها الإلكتروني، ومن بين العناصر الكيميائية في أي فترة فإن إزالة الإلكترون هو الأصعب بالنسبة للغازات النبيلة والأسهل بالنسبة للمعادن القلوية.
وتزداد طاقة التأين التي تحتاجها لإزالة الإلكترونات بشكل تدريجي، حيث تبدأ الذرة بفقد الإلكترونات؛ لأن الشحنة الموجبة على نواة الذرة لن يحدث لها أي تغير، وبالتالي مع كل فقدان للإلكترون، يتم الاحتفاظ بالباقي بأعلى قوه، وغالبًا ما يتم الإبلاغ عن طاقة التأين على أنها كمية الطاقة (بالجول) التي تحتاجها لتأين عدد الذرات أو الجزيئات الموجودة في مول واحد (أي الكمية بالجرام من مادة معينة نفس عدد وزنها الذري أو الجزيئي).
كيف يتم تصور مستويات طاقة التأين
في الذرة يمكن للإلكترونات الموجودة حول النواة المركزية أن يكون لها قيم طاقة معينة فقط، حيث تسمى هذه القيم المنفصلة ” مستويات الطاقة “.
وفي الرسم التخطيطي، يتم تمثيلهم بخطوط أفقية مع أدنى مستوى (الحالة الأرضية) في الأسفل وأعلى مستوى (التأين) في الأعلى، حيث أن المستويات هي نتيجة لطبيعة الموجة للإلكترونات، كما هو موصوف في ميكانيكا الكم؛ ويوجد الإلكترون حول الذرة كموجة ثابتة معينة مع عدد العقد والعقد العكسية التي يمليها الرقم الكمي ‘n’.
كمثال أبسط ذرة، هي ذرة الهيدروجين:
تملي المستويات بواسطة حالات موجة متحدة المركز لعدد محدد من نصف أطوال موجات الإلكترون، وتذكر أن “الموجة الواقفة” (أو الموجة الثابتة) هي التداخل بين موجتين لهما نفس الطول الموجي والسرعة، تنتقلان في اتجاهين متعاكسين.
هل يتغير مستوى طاقة التأين
عندما يتم امتصاص الطاقة المشعة بواسطة إلكترون مرتبط، يتم تحفيزها إلى مستوى طاقة أعلى، على العكس من ذلك عندما ينخفض الإلكترون إلى مستوى أدنى يتم إعطاء طاقة مشعة.
المجموعات الطيفية
بالنظر عن كثب إلى طيف الهيدروجين، وجد أنه يتكون من مجموعات طيفية متميزة؛ ولفهم هذا يجب أن ننظر بالتفصيل في تغيرات مستوى الطاقة، وللتبسيط سننظر في المستويات من n = 4 إلى المستويات أدناه. فإذا كان الإلكترون متحمسًا من الحالة الأرضية n = 1 إلى المستوى 4، فهناك أربعة مسارات محتملة ليعود مرة أخرى إلى الحالة الأصلية.
| 4 | 4 | 4 | 4 |
| 3 | 3 | ||
| 2 | 2 | ||
| 1 | 1 | 1 | 1 |
إذا تم تحليل هذه الانتقالات / القفزات، فقد وجد أنه يمكن تقسيمها إلى ستة أنواع أساسية:
| 4 | 4 | 4 | |||
| 3 | 3 | 3 | |||
| 2 | 2 | 2 | |||
| 1 | 1 | 1 |
التأين
في الحالة الأرضية، حيث n = 1، لا يكون الإلكترون متحمسًا ولديه أقل طاقة، ففي الرسوم البيانية لمستوى الطاقة فإن الطاقة تقاس لأعلى، لذلك بالنسبة للإلكترونات التي تصل إلى مستويات طاقة أعلى، سوف تستغرق طاقة أقل لإزالتها لأنها أقرب إلى أعلى مستوى (التأين).
يُطلق على الحد الأدنى من الطاقة لتحرير إلكترون من الحالة الأرضية طاقة التأين الأولى أو طاقة التأين الرئيسية، ويطلق على إطلاق الإلكترونات في الحالات الأعلى اسم أرقامها الكمومية.
على سبيل المثال، طاقة التأين الثانية (من المستوى n = 2)، حالة التأين الثالثة (من n = 3) وما إلى ذلك، حيث تصبح طاقات التأين الرئيسية أصغر مع زيادة العدد الكمي، حيث يتطلب الأمر طاقة أقل لتعويض الفرق في الطاقة لإنتاج التأين.
إمكانات الإثارة والطاقات
يتم تعريف إمكانات الإثارة على أنها الحد الأدنى من الإمكانات المطلوبة لإثارة ذرة محايدة حرة من حالتها الأساسية إلى حالة أعلى، وإذا تم التفكير في إلكترون حر متسارع من خلال جهد ما والتخلي عن كل طاقته لإلكترون في ذرة، ونقله إلى حالة طاقة أعلى فإن التسارع هو إمكانية الإثارة لتغير الطاقة هذا.
ما هي صيغة طاقة التأين في الفيزياء
طاقة التأين الأول والثاني إنها عدديًا مثل الطاقة المدارية للإلكترون ولكنها معاكسة للإشارة. بالنسبة للهيدروجين، حيث تكون طاقة المدار الأول –2.18 × 10–18 جول / ذرة (أو – 1312.3 كيلوجول / مول)، وطاقة التأين هي + 2.18 × 10-18 جول / ذرة (أو + 1312.3 كيلوجول / مول).
هل طاقة التأين تتناسب طرديا مع العدد الكمي الأساسي: عندما يزداد الرقم الكمي الرئيسي، يُلاحظ عمومًا أن الحجم يزداد وبالتالي؛ فإن الشحنة النووية الأقل فعالية، وبالتالي تقل طاقة التأين، لذلك يمكننا القول أن طاقة التأين ستكون متناسبة عكسيًا مع العدد الكمي الأساسي.
هل طاقة التأين كمية: فوق هذا الخط توجد منطقة تسمى “الإلكترونات الحرة” في الرسم التخطيطي، وهذا يتوافق مع ذرة مؤينة، في هذا النطاق، لا يتم تحديد مستويات الطاقة – أي أن أي طاقة ممكنة. لذا فإن أي فوتون به طاقة كافية لوضع الطاقة الكلية في مكان ما في تلك المنطقة المظللة يكون قادرًا على تأيين الذرة.
كيف تعتمد الطاقة على الأرقام الكمومية
العوامل المؤثرة على طاقة المدارات:
- الرقم الكمي الرئيسي (ن).
- عدد الكم السمتي (لتر).
- كلما انخفضت قيمة (n + l) للمدار، انخفضت طاقته.
كيف يتم نقل الطاقة في فيزياء الكم
يحدث نقل الطاقة من خلال نقل كمية الطاقة للذرات المتفاعلة، ويحدث نقل الطاقة من الجهد الموجب إلى الجهد السالب عن طريق تغيير مدارات الإلكترونات دون فصل الإلكترونات عن الذرات.
ما هي الطاقة المصنوعة من فيزياء الكم
إن نشأة فيزياء الكم في بداية القرن العشرين بينت أن الضوء يحتوي على وحدات صغيرة لا تتجزأ أو كوانتا من الطاقة، والتي يطلق عليها الفوتونات.
هل يمكن للتشابك الكمي أن ينقل الطاقة
الشيء المفيد الذي يكشفه البروتوكول هو أنه يمكن استخدام التشابك الكمي بطريقة قابلة لإعادة التدوير في نقل الطاقة؛ ففي البروتوكول، يشبه النظام AB أنبوب نقل الطاقة، حيث يمكن سكب الطاقة في الأنبوب في أحد طرفيه وإخراجها من الطرف الآخر.
وفي نهاية ذلك فإم طاقة التأين هي قياس لاستطاعة عنصر ما على صنع تفاعلات كيميائية تعتمد على تكوين أيون أو التبرع بالإلكترونات، كما أنه مرتبط بشكل عام بطبيعة الترابط الكيميائي في المركبات المكونة من العناصر.
